基于STEAM理念的 Arduino机器人项目的设计与实践

陈菁菁

摘要：本文以STEAM理念为导向，以Arduino硬件为载体，以图形化编程工具为编程手段，引入传感器、马达以及生活中的废旧材料等硬件，设计了基于STEAM理念的Arduino机器人项目，并结合具体实例介绍了项目运作的策略，总结了实践成效，同时提出，创造具有一定智能性特征的机器人或实体模型的过程能够拓展学生的跨学科思维，提升学生的合作能力，锻炼学生的动手能力，提高学生的计算思维，丰富学生的表现能力。

关键词：STEAM;Arduino机器人;项目设计

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）06-0000-03

考虑到学生的年龄特点，以及笔者所在学校的信息技术校本课程的实施情况，笔者选择五年级学生开展全员机器人普及教育，根据STEAM理念在实施阶段遵循以下原则：项目主题要来源于学生，贴近生活;项目实施要合作探究，综合运用;项目成果要可行实用，力求创新;项目评价要注重过程，多元立体。依据上述原则，在设定项目的时候考虑到科学素养、信息素养、数学素养、艺术素养等多方面的渗透和应用，充分挖掘机器人与其他领域的关联性，确定了“简易趣味类—基础操作类—提升应用类—个性创意类”的教学基本序列，如表1所示。

STEAM不是五个学科的简单相加，其本质是跨学科整合，旨在培养学生的实践能力和创新精神，它是基于项目学习，运用科学探究的方法以及信息技术手段，采用跨学科的团队式合作，最终解决实际问题。表1中安排了两个课时的项目按照下页图1所示的教学策略实施，属于第一课时为1的项目因其设备局限难以再创意运用，所以只落实“理解”环节，但是其内容可以与其他多设备综合使用，因此可以放到最后的“个性创意类”项目进行发挥。本文中的项目均2人一组合作完成。

上述实施策略是笔者在教学实践中逐步归纳整理的，在实际教学中还应根据不同的内容灵活运用，力求达到最佳效果。

● 学习设备：根据项目识设备，了解原理知用法

针对每个案例，笔者都会录制好模型视频用于导入环节，学生通过上网搜索、阅读学习助手、观看微课等多种方式了解设备原理及使用方法，为后续的搭建和编程做好铺垫。

案例：“距控风扇”项目是学生第一次认识超声波传感器，对学生其原理和用法并不清楚，因此播放微课介绍超声波传感器的原理——蝙蝠的回声定位以及具体的使用方法。随后设置两道填空题用于测量学生观看微课后的学习效果（如表2）。

除了微课，学生还可以利用信息搜索来获取新知，如在“调光护视力”项目中，让学生先自行搜索波长及光反射知识，然后确定用哪一种灯作为制作保护视力的主要设备，这也是提升学生STEAM素养的表现。

● 关系换算：测试传感定条件，绘制流程理算法

笔者要求学生在认识传感器后测试并观察其不同状态下返回的值，并通过统计分析确定出程序的判断条件，或者传感器的值与其他Arduino设备之间的换算关系，最后利用绘制流程图的方式理清程序算法。

案例：在“距控风扇”项目中，首先要了解超声波传感器检测不同距离的值，然后确定临界值，绘制流程图用于判断风扇何时工作（如表3、图2）。结论为障碍物“人”离超声波传感器越远，其检测到的距离值越（   ）。（填写大或小）

除了让学生经历实验并观察传感器的工作过程，方法的掌握也很重要，传感器的使用通常要经过“新建变量—测试统计—确定临界值—绘制流程图”或者“新建变量—测试统计—确定换算关系”这两种过程，后续在学生研究其他工程时，也可以运用上述方法为学生的自我探究能力助力。

● 绘制草图：绘制草图显创意，罗列分工助实施

在模仿案例思考其如何运用到生活中时，为了让每一小组都能收获成功，学生可以选择教师提供的项目，也可以自行创意设计。为了明确下一节课所需的材料、结构和具体的功能，小组利用iPad“全景课堂”APP中的“画板”功能绘制模型，在图中批注出材料以及每个结构所展示的功能，并使用“笔记”功能记录两人的分工，这样能使后期实施更有效率。

案例：上课伊始，学生对2人如何高效分工合作比较茫然，因此教师在iPad中发布每节课的分工任务，即小组成员、两人的分工、所需的材料、作品的功能等，方便学生建立起规划意识，此外学生的笔记也分享至班级，方便学生之间相互学习。

● 制作模型：自由搭建展个性，连接端口組模型

根据草图，小组携带找到的废旧材料、美术工具等，利用Arduino机器人的设备按照项目需要进行搭建，将创意想法变成现实。

案例：学生利用身边的废旧材料、彩纸、剪刀、胶布等工具进行结构搭建，并且将Arduino设备与模型结构相连，如风扇帽子、倒走健身障碍提示器、玩具小车、多功能储物盒、菊花灯、床头灯、密码防盗盒、南瓜灯、智能的帐篷等。

DIY制作工程模型，一方面能张扬学生个性，另一方面也体现了STEAM跨学科融合的学习理念，提高学生的动手实践能力和创新设计能力。

● 调试程序：线上线下齐并进，调试修改优项目

程序设计是实现Arduino机器人智能化的关键环节，项目需要运用传感器相关的程序指令，如声音、光敏、按钮、温度、超声波、霍尔传感器等。笔者制作了传感器的系列微课程，介绍了每种传感器在可视化编程中的指令及操作方法，并上传至教学平台，便于小组根据项目功能需求挑选对应的微课。此外，小组还可在家学习微课并制作模型，再带回学校用可视化编程实现流程图中表达的思路，并结合机器人模型反复调试。

案例：在“距控风扇”项目中，学生结合之前绘制的流程图，用脚本指令实现其智能化的功能，部分遇到困难的学生可以自学《超声波传感器》微课，从而掌握编写程序实现信号传输的一般方法。

这个过程不仅要实现程序与机器人模型的虚实结合，更重要的是培养学生的计算思维，提高编程能力。

● 交流分享：平板记录互提升，发布展示广宣传

课内，小组间通过iPad拍照、录像并且做图片的注解，然后分享到班级，学生在平板上浏览其他小组的成果，并且点赞或留言评价，教师通过五星评价模式给每个作品打分，最后挑选代表性作品设置成精品并向全班演示，其他小组可以互动提问，在探讨的过程中进行思维碰撞、相互学习。

课后，笔者将学生的作品发布到“LC创客工作室”微信公众号。兴趣浓厚的学生也会与家长们一起体验制作个性化机器人的项目，并且通过“易企秀”制作图文并茂的短文进行网络宣传。笔者也将其产生的二维码贴在创客工作室内供来宾参观学习。另外，其精品作品还借助学校“智慧校园特色和科技节”活动进行现场展示，多平台、多层次地给予学生交流分享的机会。从技术、主题、创意、合作等多维度给予评价，体现出创意、艺术、功能性等多样的评价角度。

● 反思与展望

通过综合解决项目的过程，学生表示科学会变得很有用，数学也可以是工具，STEAM的渗透式教学不是生硬地为整合而整合，而是讲方法、有目的、和谐地整合，不仅包括课堂内的点滴整合，还包括课堂外的项目或者研究性学习的带着灵活性、以创新为目的整合。

总之，基于STEAM理念的Arduino机器人教学项目，不仅可以激发学生学习机器人的兴趣，提高学生的创造力，还可以激发学生对其他学科的兴趣，希望开展STEAM理念下的机器人项目教学能成为机器人教学的一种借鉴。